半刚性面层复合材料路用性能浅析

张 弛

（常州市交通规划设计院有限公司 常州 213164）

近40年来，很多国家倾向于采用半刚性材料作为路面结构的基层。半刚性基层具有承载能力强、耐久性好、稳定性高等突出优点，为充分发挥它的优势，选择与其匹配的面层极为重要。与半刚性基层组合的主要面层形式为沥青面层和水泥面层，并分别形成半刚性路面和刚性路面。这2种路面结构在生产实践中发挥着重要作用，但是不可否认，也还存在一些长期未能解决的问题。沥青面层具有韧性高、刚度适宜的优点，却存在温度敏感性高、耐久性差、疲劳寿命短、抗拉强度低等缺陷；水泥面层虽然具有温度敏感性低、耐久性好、疲劳寿命长、抗拉强度高等突出优点，但却存在韧性差、刚度过大等固有不足。然而，虽然它们都不是与半刚性基层完全匹配的理想形式，但两者的力学性能却具有较强的互补性，如能综合二者的优势，就可以得到较为理想的与半刚性基层较为匹配的新型面层。

半刚性面层材料的出现，使得其可以和半刚性基层组成真正意义上的半刚性路面结构，使之既有柔性路面的可弯沉特性，但又不像纯柔性路面那么柔软；既有刚性路面的板体特性，但又不像纯刚性路面那么刚劲，是介于刚柔之间路用性能更趋合理的一种新型路面结构。本文将从材料的配合比开始分析，进而研究半刚性面层复合材料的突出的路用性能。

1 半刚性面层复合材料配合比

1.1 树脂改性水泥砂浆配比

沥青采用泰普克重交通沥青AH－70，水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥，矿料采用了工地生产的石灰岩石料，包括10～20mm碎石、5～15mm碎石和0～5mm石屑，细砂采用河砂，粉煤灰采用的是电厂的普通粉煤灰，过0.6mm的筛后使用。试验结果表明，沥青、水泥、石料及粉煤灰的性能均满足有关规范的要求。

树脂改性水泥砂浆采用经过乳化了的水性环氧树脂，主要由双酚A型环氧树脂乳液和环氧－多胺改性的水性环氧固化剂2组分组成（其性能指标见表1），与水泥砂浆有良好的配伍性，添加到砂浆中，能够起到增加强度、粘度与和易性的作用。树脂改性水泥砂浆的主要组成材料包括水性环氧树脂（乳液和固化剂）、水泥、粉煤灰、水和细砂。配制好的树脂改性水泥砂浆必须具有足够的均匀性、流动性和渗透性，水灰比控制在0.7～0.8。通过室内试配试验分析及稠度试验结果，要求8s≤稠度≤10s。水泥用量不超过40%，粉煤灰用量控制在15%左右，河砂用量应大于12%，水性环氧树脂为3%～5%。经试验确定改性水泥砂浆的配比为水性环氧树脂∶水泥∶粉煤灰∶水∶砂＝3∶38∶12∶30.5∶16.5。

表1 水性环氧树脂技术指标

1.2 沥青混合料母体配合比

为了充分发挥水泥乳浆材料与沥青混合料的作用，按体积指标合理选择沥青混合料的矿料级配。要求压实后的开级配沥青混凝土的空隙率为25%～35%，远远大于通常的中粒式与细粒式沥青混合料的空隙率，其空隙由树脂改性水泥砂浆填充。开级配沥青混凝土的级配主要由粗集料组成，细集料含量较少，参考国外推荐的级配，进行上限和下限的级配试验，实测空隙率。由此，得到沥青混合料的矿料级配及要求见表2，其中各档料的配比（质量比）为10～20mm碎石∶5～15 mm碎石∶0～5mm石屑＝46∶40∶14。

表2 开级配沥青混凝土的矿料级配

由于半刚性面层复合材料的母体骨架采用了开级配沥青混合料，矿料中细颗粒成分较少，易造成沥青流淌及影响母体材料的稳定，所以沥青用量的确定较为复杂。用1种或2种试验方法，往往难以得到真正意义上的最佳沥青用量。沥青用量过多会造成灌浆困难，过少则会使粘结性和强度降低。因此，采用体积法进行沥青混合料母体设计，确定沥青混合料母体的沥青最佳用量和合理范围，要求沥青混合料空隙率控制在25%～35%。为保证开级配沥青混合料母体的空隙率，沥青用量较低，通常为3.5%～4.5%，可根据集料的比表面积初步确定最佳沥青用量（OAC）。

OAC ＝3.25aA0.2（1）

式中：a为2.65／D，D 为集料的表观相对密度；A为表面积＝s0.21G＋5.4s＋7.2s＋135f，G为保留在4.75mm筛的材料百分比；s为保留在0.6 mm筛和通过4.75mm筛的百分比；s为保留在0.075mm筛和通过0.6mm筛的百分比；f为通过0.075mm筛的百分比。

根据式（1）计算所得的最佳沥青用量，在最佳沥青用量的上下各取2个沥青用量进行击实试验，制作直径为101.6mm、高为50.0mm±1.3 mm的马歇尔试件以测试其马歇尔试验指标。由于沥青混合料母体的空隙率在20%以上，试件的密度试验采用体积法，通过对实测体积及计算最大理论密度，得到沥青混合料的空隙率VTM。综合参考体积法计算出来的最佳沥青含量、常温下母体沥青混合料的马歇尔稳定度和空隙率，选取空隙率较大、稳定度较大且接近计算所得的沥青含量为此级配集料的最佳沥青含量。

通过试验和计算，沥青混合料母体的相关试验指标见表3。

表3 沥青混合料马歇尔试验结果（试验温度30℃）

由表3中看见，随着沥青用量的增加，沥青混合料的常温马歇尔稳定度逐渐减小而空隙率呈单峰值变化。由式（1）计算得出最佳沥青用量为3.92%，综合考虑沥青混合料的常温马歇尔稳定度和空隙率的要求，选取含油量3.6%为最佳沥青含量。

2 半刚性面层复合材料的路用性能

母体骨架混合料的拌和、压实等与普通沥青混合料相同。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052－2000）制作试件，马歇尔试件双面各击实25次，圆柱体试件和板式试件成型由马歇尔试件密度来控制。待试件冷却至60℃以下立即进行灌浆，采用平板振动器振灌试件，待浆体硬化后在标准条件下（温度为（20±1）℃、相对湿度为（60±5）%养生，然后根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052－2000）规定的试验方法，测其7d，28d龄期的力学特性和路用性能，包括马歇尔稳定度试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔与冻融劈裂试验、高温车辙试验、15℃劈裂试验与20℃抗压回弹模量试验。试验结果见表4。

表4 半刚性面层复合材料试验结果

由表4可见：（1）半刚性面层复合材料的动稳定度和马歇尔稳定度分别为规范规定值的162.6倍和5.8倍，远远超过了规范规定值，而半刚性面层复合材料的流值也比规范值低限减小了13.3%，也小于规范规定值，这表明半刚性面层复合材料的高温稳定性非常好且远优于普通沥青混合料，完全满足重载交通道路的技术要求。这是因为半刚性面层复合材料中加入了改性水泥砂浆，使得材料的刚性增大，致使半刚性面层复合材料抵抗荷载及高温剪切流动变形的能力增大，在承载力及热稳定性能方面均有显著的提高。

（2）在－10℃的温度条件下，半刚性面层复合材料的破坏弯拉应变是规范规定值的1.63倍，且半刚性面层复合材料具有较高的弯拉强度，这充分表明半刚性面层复合材料具有较强的抵抗温缩应力的能力，其低温抗裂性能优于普通沥青混合料。虽然半刚性面层复合材料中含有水泥砂浆，它的存在提高了材料的刚性，使得半刚性面层复合材料在低温情况下脆性增大，但加入水性环氧树脂后，使得低温情况下材料的脆性有所减小，柔性有所增加，从而其低温性能得到改善。

（3）半刚性面层复合材料的残留稳定度比规范值大了37%，残留劈裂抗拉强度比高于规范值的35.7%，故半刚性面层复合材料具有优良的水稳定性。这是因为半刚性面层复合材料中含有水泥砂浆，浸水后其强度有一定的增长，故其残留稳定度和残留劈裂抗拉强度比超过100%，且水泥砂浆中加入了水性环氧树脂进行改性，增加了沥青与水泥砂浆的共溶陛，提高了粘附性和混合料的整体强度，且半刚性面层复合材料的残余空隙率小，从而大幅提高了半刚性面层复合材料的水稳定性。

（4）半刚性面层复合材料的抗压回弹模量比规范取值范围上限值要大得多，高于上限值40.4%，其劈裂强度也大于规范取值范围上限值，高于上限值15.6%，说明半刚性面层复合材料的力学性能要优于普通沥青混合料。由于半刚性面层复合材料灌入的水泥胶，材料显示了一定的刚性，但其与普通沥青混合料的设计参数推荐值相差不大，所以可以说其仍然偏于柔性。这也就证明了，采用沥青混合料路面性能试验方法来检验半刚性路面材料路用性能的方法是有效的。

3 结语

半刚性面层材料作为一种新型的复合材料，国内外对它的研究成果相对较少，但从目前的研究成果可以看出它具有满足理想半刚性面层技术要求的可能性和成为理想半刚性面层的前景，与半刚性基层较为匹配，符合刚性路面柔性化，柔性路面刚性化的发展趋势，可以从整体上形成真正意义的半刚性路面，是新型路面结构的发展方向。因此，半刚性面层材料研究工作的开展对开发使用性能介于传统的柔性面层和刚性面层之间的半刚性面层，为最终实现由半刚性基层与半刚性面层组合成的真正意义上的半刚性路面具有重大的理论意义和实用价值。